检测小麦不同发育阶段主要有机物的含量变化

白景维 张永鑫 赵京秋

（1 北京师范大学第二附属中学 北京 100088 2 北京市西城区教育研修学院 北京 100000）

1 设计思想

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》提出的生物学核心素养主要包括生命观念、 理性思维、科学探究和社会责任4 个方面。其中科学探究包括： 发现生物学问题， 针对生物学现象进行观察、提问、实验设计、方案设计及结果的交流与讨论，乐于并善于团队合作，在科学探究过程中理性思维和思辨能力是贯穿其中的精髓， 思维能力需要在解决问题中得到不断训练才能提高。 在学习必修1《分子与细胞》模块中“细胞的物质组成和新陈代谢”内容后，若能通过设计一系列实验，以研究性学习的方式让学生运用所学到的检测细胞内淀粉、还原糖、蛋白质含量的静态检测方法即颜色反应， 研究一种植物发育过程中一些有机物含量的动态变化， 学生不但可以真正领悟实验方法的应用价值， 更能深入思考新陈代谢中各种有机物之间的转化关系， 进一步理解细胞呼吸在新陈代谢中的中心地位。

2 实验原理

小麦在萌发过程中籽粒只从环境中吸收水分，其他营养物质主要来自胚乳。胚乳中的淀粉在淀粉酶作用下逐步分解为麦芽糖、 葡萄糖等小分子物质，再转化为蛋白质、核酸等生长必需的有机营养物质用于生长发育。 不同萌发阶段物质转化的程度不同， 可用定期取样的方法检测并比较不同萌发阶段淀粉、还原糖、蛋白质含量的变化，从而推测小麦萌发中物质间转化的过程， 初步探索小麦萌发过程的一些生理变化。

3 实验材料、试剂及用具

实验材料选择色泽均匀饱满萌发率较高的小麦。 实验试剂包括本尼迪特试剂（或斐林试剂）、双缩脲试剂、碘液、苏丹Ⅲ、酒精。 实验用具包括培养皿、研钵、水浴锅、显微镜、天平、试管、量筒、玻片、容量瓶等。

4 实验过程

4.1 培养小麦 在培养皿底部平铺一层脱脂棉，充分加水浸湿，将小麦相间等距码放其上，并标记组别和日期，注意每天换水。

4.2 随机取样及检测 选取萌发0 h（萌发前）、2 h、4 h、6 h、8 h、24 h 至第4天不同时间的小麦，随机取100 粒为一个样本，每个时期取2～3 个样本称量（分离籽粒和幼苗分别称量），在籽粒中加入50 mL 蒸馏水研磨过滤，并将滤液定容后检测有机物含量。

5 实验结果

5.1 称重结果 表1为每100 粒小麦籽粒不同萌发时间的鲜重和干重记录， 图1为依据表1 绘制的曲线图。

表1 每100 粒小麦籽粒不同萌发时间的鲜重和干重（g）

图1 每100 粒小麦籽粒在不同萌发时间鲜重与干重

实验结果表明： 随着根苗鲜重的增加整株鲜重也在增加，且二者增加趋势基本一致。这表明根苗鲜重是整株植物鲜重增加的主要因素， 植物在旺盛生长。 与此同时，整株干重却在逐渐减少，说明水分的增加是主要原因， 这里正好呼应了后面检测出还原糖和蛋白质量的增加， 提高了细胞内的渗透压，增加了吸水能力，但同时由于细胞呼吸作用的提高，消耗了有机物使得干重下降。

5.2 不同时期小麦籽粒中的淀粉、还原糖、蛋白质的检测结果 从小麦不同萌发期籽粒浸出液与碘液反应的结果，可以发现萌发0 h（萌发前）、2～8 h 的浸出液与碘液产生的蓝色几乎没有区别，说明在此期间籽粒中淀粉含量均很多，到第2天（48 h）后深紫色逐渐变浅至灰浅蓝色，说明淀粉含量下降。 有条件的学校若能使用分光光度计效果会更好， 但用肉眼辨别颜色也能观察出一定趋势（图2、表2）。

图2 小麦不同萌发期籽粒浸出液与碘液反应结果

表2 小麦不同萌发期籽粒浸出液与碘液反应结果

表3 小麦不同萌发期籽粒浸出液与本尼迪特试剂反应结果

小麦不同萌发期籽粒浸出液与本尼迪特试剂反应结果，从浸泡5 h 后还原糖的量明显增加，48 h 后的检测结果说明还原糖的含量已经很高，试管中出现显著的红黄色沉淀， 第4 天后红黄色开始有所下降，但是依然颜色很浓（图3、表3）。

图3 小麦不同萌发期籽粒浸出液与本尼迪特试剂反应结果

小麦不同萌发期籽粒浸出液与双缩脲试剂反应结果，从第2 天起蛋白质检测量明显增加，对照还原糖的含量变化，2 种物质检测量存在此消彼长的呼应关系， 也能引发学生思考二者在代谢方面的关系，因为小麦籽粒中还原糖和蛋白质，最终都要转移到幼苗中，所以第4 天后含量都会下降。再有这里只能检测到可溶性蛋白质的含量变化，对于籽粒中大量的不可溶蛋白无法检测， 但可溶性蛋白质的含量变化也与还原糖的含量变化存在对应关系（图4、表4）。

图4 小麦不同萌发期籽粒浸出液与双缩脲试剂反应结果

表4 小麦不同萌发期籽粒浸出液与双缩脲试剂反应结果

5.3 显微镜观察结果 选取有代表性发育阶段制作小麦籽粒横切，先用苏丹Ⅲ后用碘液套染，再用50%酒精洗去浮色， 制成临时切片显微镜观察，结果见图5。 萌发0 天（萌发前）的小麦细胞排列紧密， 胚乳中有成块的被碘液染成紫色的淀粉块，糊粉层细胞清晰可见，珠心层被苏丹Ⅲ染成橘黄色。 萌发第4 天的小麦切片中可观察到胚乳中的淀粉是从块状结构边缘开始水解的， 淀粉块之间有了较大的空隙， 使得糊粉层分泌的淀粉酶与淀粉接触面积更大，水解速度更快，对照前面的实验结果发现此时正是淀粉被迅速水解的时期，胚乳中淀粉块的这种结构既有利于大量储存淀粉，又能在需要的时候迅速水解。

图5 示糊粉层细胞和胚乳中的淀粉粒

6 本实验设计的优点

1）实验材料选择有优势。 选择小麦为做实验材料容易获得，籽粒大小适中易于观察，培养条件易于控制可以随时进行，不受气候条件的限制，非常有利于教师安排教学。

2）实验用试剂易配置。本实验使用的试剂都是必修1 教材中实验所用， 不需要额外添加新的试剂，实验的操作过程也相对简单，学生很容易掌握。

3）本实验还具有拓展和延伸的空间。本实验不但可以设计为一节新授课， 也可设计为一节复习课，还可以设计为研究性学习或课外实践活动。 既可突出实验操作，也可重点训练学生分析实验数据的能力。 就实验设计思路而言，本实验也是从定性分析到定量分析的好案例，同时也是使用静态的研究手段定量研究动态的发育和物质代谢的好案例。

7 教学建议

7.1 指导学生提出可研究的问题 问题是思考的钥匙，研究性学习初始，中学生提不出问题，后续又会提出一些无法深入的浅显问题，或看似“高大上”但在逻辑上站不住脚的“假问题”。 在教师的引导下，经过一些训练，学生会逐渐从众多的问题中， 聚焦到有一定科学价值的问题。 在此过程中， 学生能体会到什么样的问题是可以继续研究的有价值的问题。例如就本实验而言，学生提出以下问题：①为什么有的小麦不萌发？②小麦的萌发率如何？③整株鲜重为什么会逐渐变重？同时整株干重逐渐变轻了？ ④为什么小麦的籽粒逐渐变软变瘪了？

不萌发的小麦大部分是因胚是死亡的， 学生在初中已经学习了用染色法鉴别种子的死活，凡胚能被墨水染色的都是死种子， 所以问题①似乎一句话就能回答不能深入研究。 问题②经过一定的统计也能比较容易得出结果， 染色法也可以预估萌发率， 但仅仅知道了萌发率也难以深入研究其他的生理变化。问题③似乎就题论题。但若结合问题④就可以提出比较适合于学生研究的问题，即：为什么小麦萌发过程中干物质减少籽粒变瘪，但同时鲜重在增加？只用“因为种子萌发过程中吸收了水分”不能很好解释变化的原因。显然这样的问题学生要经过比较复杂的思考后才能回答，而思考中必然要运用已有的知识和方法技能。

7.2 指导学生尝试回答自己的问题 有了能深入研究的问题，再尝试回答自己的问题，推测引起问题可能的原因，是更深层次的思维训练过程，这就是提出假设的过程。假设必定要符合一定逻辑、符合已有的规律，不是漫无边际的猜想；同时，提出的假设要能通过实验证明。 例如有的学生推测干重下降的原因是：种子萌发过程需要大量能量，呼吸作用消耗了有机物所以使干物质含量下降，并设计了“用放射性同位素标记淀粉中的碳原子，观察小麦呼吸产生的CO2是否有放射性”的实验思路。显然设计思路没有问题，但是如何标记淀粉中的碳原子？从操作层面上分析，这个实验在中学的实验室中是不易实现的。

此时，教师可引导学生换一个角度思考问题，即种子萌发过程中， 种子中贮存的有机物会分解成小分子物质， 可以通过检测底物与生成物含量的变化，分析种子萌发过程中的物质变化。基于以上分析，启发学生提出一个可以进行验证的假设，例如：小麦籽粒萌发过程中，呼吸作用主要分解的是胚乳中的淀粉，在种子萌发前、后淀粉的含量会逐渐减少，还原性糖的量会逐渐增加。这样就能引导学生用学过的实验方法证明上述推断是否正确。 小麦籽粒中不仅有淀粉，还含有麦芽糖、葡萄糖和蛋白质等， 都能参与呼吸作用为萌发过程供能， 同时检测这些物质含量的变化会发现一些规律性的变化，让学生再用已有的知识进行解释，学生能体会实验设计的魅力， 巧妙的设计可让学生使用相对简单的方法就能发现事物背后的规律（这一点在教材中介绍的许多经典实验都有体现）。 学生从理解知识提高到应用知识解决问题，这是一个质的飞跃。

8 总结

本案例采用定期取样的方法研究生长发育的过程， 以静态的物质检测方法研究动态的生长发育过程， 通过简单的实验手段揭示更丰富的生命活动规律，在一个真实的研究背景中，让学生体会用实验的方法研究生命活动的真实过程，体验“小实验大道理”，也给教师提供了细胞结构、新陈代谢、植物生理等多个切入点，帮助学生建立自己的知识网。